DE1572540A1

DE1572540A1 - Mit kohaerentem Licht arbeitendes Mikroskop

Info

Publication number: DE1572540A1
Application number: DE19671572540
Authority: DE
Inventors: Frederick Van Ligten; Harold Osterberg
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1966-04-29
Filing date: 1967-04-28
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1572540B2; GB1185919A; US3511554A

Description

Divphil. G. B. HAGEN Patentanwalt

8000 MDNCHEN-SOLLN

Franz-Haii.straße 21 München, 24. April 1967 Telefon 796213 Dr. H./sch

AO 2079

AMERICAN OPTICAL COMPANY

Southbridge, Massachusetts V. St. A.

Mit kohärentem Licht arbeitendes Mikroskop

Priorität! V.St.A.j 29. Apr. 1966; US-Serial No. 546 241

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop und insbesondere die Anwendung der Holographie-Prinzipien bei einem Mikroskop.

Hinsichtlich des Prinzips der "Holographie" kann verwiesen werden auf die Zeitschrift "Journal of the Optical Society of America", Bd. 53, S. 1377 (1963). In dieser Yeröffentlichung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hologramms beschrieben, bei dem ein durchsichtiges Objekt mit kohärentem Licht bestrahlt wird und auf einem Film von dem Objekt Fresnel-Beugungsbilder erzeugt werden. In der Nähe des Objekts unterteilt ein Prisma das Bündel kohärenten Lichtes und lenkt eine Hälfte unter einem solchen

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Bayeri·*· Verafaubttk München W0963 BAD OB<G!NAL

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Winkel ab, daß auf dem Film eine Interferenz mit dem Teil dea Strahlenbündels erzeugt werden kann, das auf den Fjilm bzw. das Objekt geleitet wurde. In dieser Veröffentlichung wurden jedoch weder ein mikroskopisches System noch auch Objektivlinsen werwähnt. Der Film arbeitet als ein quadratischer Gleichrichter, der das Interferenzmuster aufzeichnet, das durch das Objektstrahlenbündel und das Bezugsstrahlenbündel erzeugt wird. Dabei wird das Bezugsstrahlenbündel um das Objekt herumgeleitet. Es kann der Film in üblicher Weise entwickelt werden, und der Film enthält dann von dem wiederzugebenden Objekt das "Hologramm". Venn ein Hologramm mit kohärentem Licht bestrahlt wird, werden reelle und virtuelle Bilder des Objekts erzeugt, die eine dreidimensionale Wiedergabe des Objekts bilden.

als

Das Objektstrahlenbündel kann/ein zum Teil abgelenktes und zum Teil nichtabgelenktes Strahlenbündel des Objekts aufgefaßt werden, bei dem der nichtabgelenkte Teil eine Interferenz mit dem Bezugsstrahlenbündel bewirkt und reine, ungestörte Interferenzmuster bildet* die durch den abgelenkten Teil des Objektstrahlenbündels gestört werden. Der Film zeichnet dann quadratisch den Absolutwert der Amplituden-Phasenverteilung in Form des Interferenzmusters auf. Dementsprechend kann das Hologramm betrachtet werden als ein Beugungsgitter, wobei der Film ein Spektrum nullter Ordnung und zwei Spektren einer starken ersten Ordnung erzeugt. Das

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eine der Spektren erster Ordnung erzeugt ein reelles Bild und das andere ein virtuelles Bild. Während ein übliches Beugungsgitter nur in unbeabsichtigter Weise Unregelmäßigkeiten aufweist, die zu den sog, Geisterliriien führen, weist das Hologramm-Beugungsgitter Unregelmäßigkeiten auf, die absichtlich eingeführt wurden, um ein vollständiges, wohldefiniertes Bild zu liefern.

Man hat seit vielen Jahren das Mikroskop benutzt als ein Mittel zur Analyse der Vorgänge in biologischen Objekten·. Mikroskope arbeiten zwar zufriedenstellend, haben jedoch den Kachteil_r daß bei einer Betrachtung oder einer Aufnahme man nicht einen Bildeindruck hinreichender Bildtiefe erreicht. Es wäre bei biologischen Objekten.außerordentlich wichtig, wenn man die Einzelheiten des Objekts in verschiedenen Tiefen in einer einzigen Aufnahme des Objekts erhalten könnte-und die Aufnahme aufbewahren könnte als einerAufzeichnung für eine spätere Wiedergabe in drei Dimensionen, ohne" daß man das Objekt selbst erhalten muß.

Die Erfindung, bezweckt eine mikroskopische Beträchtungsanordnung, die die Betrachtung und die Aufbewahrung der Objekteinzelheiten in drei Dimensionen gestattet.

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Die Erfindung liefert ferner ein scharfes rekonstruiertes mikroskopisches Bild.

Weitere Einzelheiten und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines holographischen Mikroskops, welches eine holographische Filmaufzeichnung und/oder eine momentane Betrachtung eines Objekts gestattet, so daß sowohl die Betrachtung als auch die Aufzeichnung eine Wiedergabe von drei Dimensionen ermöglicht. Das Hologramm wird durch winkelmäßiges Überschneiden eines Bezugsstrahlenbündels und eines Objektstrahlenbündels erreicht, wobei eine Objektivlinse in dem Objektstrahlenbündel vorgesehen ist und diese Linse eine Fokussierung in der Bildebene des Aufzeichnungsmediums bewirkt.

Die der Beschreibung zugrundeliegenden Figuren bezeichnen!

Figur 1 eine vorzugsweise holographische Mikroekopanordriung gemäß der Erfindungj '

Figur IA ein· Wiedergabe der optischen Strahlungebündel zur Erzeugung des Hologramme ge«äß Fi Ij ·

Figur 2 eine schematische Darstellung einer gedrängten Aueführungeform der Erfindung!

Figur 5 eine weitere gedrängte Aueführungefor« der Erfindung}

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Figur 4 eine schematische Darstellung einer weniger •gedrängten Anordnung, die jedoch anwendungsmäßig flexibler ist;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines nach dem Prinzip der Holographie arbeitenden Mikroskops, bei der das Licht von entgegengesetzten Seiten auf den Hologrammfilm auffällt und sich besondere Flexibilität in der Anwendung erzielen läßt;

Figur 6 eine der Fig. 1 ähnliche Anordnung;

Figur 7 eine in hohem Maße gedrängte Interferenzmikro skopanordnung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 fällt das Licht einer kohärenten Lichtquelle, beispielsweise einer Laseranordnung 10, auf eine den optischen Strahlengang aufteilende Vorrichtung 12; 13 ist eine Anordnung zur Wiedervereinigung des optischen Strahlenganges, 14 und 16 sind Spiegel, 18 ist ein Kondensor, 20 ist eine Objektivlinse,und 22 ist der holographische Film. Die Laserlichtquelle sendet kohärentes "Licht durch die optische Aufteilungsvorrichtung 12, so daß das Objektstrahlenbündel 9 und das Bezugsstrahlenbündel 11 gebildet werden. Diese beiden Straiilerrbünciel sind im nachstehenden mit A bzw. B bezeichnet. Das Objeirt-stralilenbündel 9 wird ferner durch den Spiegel 6 und den'Sandsiwv aefctJr 18 durch das durchsichtige Objekt 19 gerichtet ι:ΐ·4 in das fokussierende Objektiv 20 geleitet. Das Besag': > strahlenbündel 11 wird über den Spiegel 14 und die opvj.- -Che Zer3treuungsvorrichtung 15 auf die Wiedervereinigungs-Tcrrichtung 13 geleitet, damit eine Interferenz mit 0.2m

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Objektstrahlenbündel erfolgt. Das Objektstrahlenbündel und das Bezugsstrahlenbündel werden auf den Hologrammfilm 22 gerichtet. Es kann ein Spiegel 30 in den Strahlengang gebracht werden, damit man die Belichtungszeit und das Intensitätsverhältnis in dem Objektstrahlenbündel und dem Bezugs strahlenbündel visuell feststellen kann. Wie bei anderen Mikroskopen kann auch der Kondensator 18 fortgelassen werden, damit eine bessere Symmetrie der optischen Strahlungswege erreicht wird. Pur Phasenmikroskope können auch weitere Glasmedien in dem Strahlengang vorgesehen sein, um die optischen Weglängen in den beiden Strahlungswegen auszugleichen. Es ist ferner zu beachten, daß das Bild des Objekts 19 mittels eine? Objektivs 20 oder einer Presnel-Zonenplatte fokussiert wird und einen Bildraum erzeugt, der vor oder hinter der Ebene des aufzeichnenden Films liegen kann und der aus einer oder mehreren quer zu der Achse des Objektstrahlenbündel 9 liegenden Bildebenen besteht.

In Pig. 1 wird durch den Spiegel 14 das Bezugsstrahlenbündel 11 auf die Wiedervereinigungsvorrichtung 13 und dann auf die Aufzeichnungsvorrichtung 22 gelenkt, wobei die Ebene des Aufzeichnungsmediums unter einem Winkel Q mit dem Objekt bündel 9 getroffen wird. Der Winkel θ sollte von einer solchen Größe sein, daß die Hälfte der Querdimension der Bildebenen überdeckt wird. Die Anwendung eines derartigen

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Ι Winkels «wischen dem Bezugs- und dem Objekt "bund el erleichtert die Möglichkeit, eine !Trennung des virtuellen und des reellen Bildes zu erzielen und die Nullordnung, d. h. das Untergrundlicht 43 in Fig. IA auszuschalten. Pig. IA veranschaulicht das Prinzip einer holographischen Anordnung gemäß Fig. 1. Ei.ne kohärente Lichtquelle 10' sendet Licht durch eine divergierende Optik 31 auf das zu exponierende Hologramm 22' und dann durch eine Linsenanordnung 42. Eine Maske 33 kann dem Zweck dienen, entweder das reelle Bild 34 oder das virtuelle Bild 35 zu eliminieren, so daß entweder daa eine oder das andere Bild ohne Interferenz gesehen werden kann. Bas Untergrundlicht, nämlich das Licht 43 der Ordnung null, wird ferner durch die Maske 33 von dem Betrachter 38 ferngehalten. Die Maske 33 ist räumlich an der konjugierten Stelle angeordnet, die die Lichtquelle 10* rekonstruiert, so daß ein vollständiges Hologramm 22* mit einer kohärenten Wellenfront beleuchtet wird. Es ist zu beachten, daß der Beobachter Mittel hat, um eine Fokussierung auf das reelle oder das virtuelle Bild, je nachdem welches freigegeben ist, zu bewirken. .

Bs ist möglich, eine Phasenplatte 39* an dem rekonstruier- \ Jfcen Bild 36* der konjugierten Stelle der Lichtquelle 10 4.·.· anzuordnen, um in eine» vergrößerten Maßstab eine Phasen aikroakopie zu erhalten« Bi% Beobachtungsstelle 38» es j kann sich um das instrument eines menschlichen Beobachters

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handeln, wird dann zu einem Phasenmakroskop des vergrößerten rekonstruierten Bildes. Man könnte auch eine Messerschneide an der Stelle 36' verwenden, um eine Schlierenabbildung und eine schräge Dunkelfeldbeleuchtung zu erzielen. Eine zentrale Dunkelfeldbeleuchtung erhält man dadurch, daß man an der Stelle 36' eine undurchsichtige Maske anwendet.

Phasenmikroskopie und Dunkelfeldbeleuchtung und schräge Dunkelfeldbeleuchtung kann auch verwendet werden, wenn man gemäß Fig. 1 ein Hologramm herstellt, indem man eine Phasenplatte 39 an der konjugierten Stelle 36 der Lichtquelle 10 zur Dunkelfeldbeleuchtung und schrägen 'Dunkelfeldbeleuchtung anwendet. Diese Abblendtechnik kann bei einer Anordnung gemäß Pig. I Anwendung finden.

Eine weitere,räumlich gedrängte Aueführungeform eines holographischen Mikroskops ist in Pig. 2 wiedergegeben, wobei Prismen 40 und 41 mit einem Spiegel 42 zusammenwirken und auf dem holographischen Film 44 (H) ein aufzeichnungefähiges Bild erzeugen oder ein Luftbild 46 (X), indem von gegenüberliegenden Seiten das Objektbündel und das Bezugslicntbündel auf den Film auftreffen. Das in Fig. 2 dargestellte System verwendet Mittel zur Vergrößerung des Objektlichtes, beispielsweise ein Objektiv 48 (0) und einen kippbaren Keil 50. Die das Objekt bildende Probe 52 (X¹) durchsetzt das

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Objektlichtbündel 9» und die Stelle des konjugierten Punktes 54 (C) der Lichtquelle ist dargestellt und gibt den Punkt an, an dem eine Phasenplatte angeordnet sein kann, um die Anordnung in ein Phasenmikroskop umzuwandeln.

Die Anordnung gemäß Pig. 3 ist noch gedrängter, arbeitet mit geringerer Vergrößerung als die In I¹Ig. 2 dargestellte Anordnung und ist derart ausgebildet, daß das optische Strahlenbündel von dem Objekt A und dem Bezugsweg B auf derselben Seite auf den HologrammfUre H aufgreifen.

Pig. 4 zeigt eine weniger gedrängte Anordnung, die insofern hinsichtlich der Arbeitsweise flexibler ist, als auf aera Hologrammfilm H eine Kugelwelle des Besugsstrahlenbündels B erzeugt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wirkt das Bszugsstrahlenbündel B¹ auf die Hologrammfilmseite, die gegenüber der von dem Objektstrahlenbündel A beaufschlagtsn Seite liegt.

Die Ausführungsform gemäß ?ig. 6 ist weniger kompalrt als die, in 3¹Ig. 1 dargestellte, es ergibt sich jedoch eins besondere Flexibilität der Anordnung durch Anwendung ües Ee.ilstückes 62 sur Änderung des Auftreffwinkels θ des Ees'.'gast rahlenbünd eis. - - *

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Eine weitere Ausführungsform gemäß Fig. 7 zeigt ein außerordentlich gedrängtes Interferenzmikroskop, ähnlich Pig*· 2 es wird ein Luftbild 46' an einer Stelle erzeugt, die eine Betrachtung mittels eines Okulars ohne weitere Behinderung ermöglicht, ein Umstand, der bei den Anordnungen nicht gewährleistet ist, bei denen das Bezugsstrahlenbündel und
. das Objektstrahlenbündel von verschiedenen Seiten auf den
Hologrammfilm auftreffen.

Patentansprüche %

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Claims

. ■' T572S40

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P a t ent a n Sprüche

1. Mikroskopanordnung unter Verwendung von kohärentem Lieht, d & d u r c h gekennzeichnet, daß das kohärente licht durch eine den Strahlengang aufspaltende . Vorrichtung (12) in zwei Strahlenbündel (A, B) aufgespalten wird und das eine Strahlenbündel (A) auf das Objekt und ein Medium zur Aufzeichnung eines Hologramms (22) gerichtet

■■/:".■■■■■■■". ein ~ .."-.-

wird und/Fokussierungsmittel (20) ein Bild des Objekts auf eine Mehrzahl in der Längsrichtung angeordnete querverlaufende Bildebenen fokussiert und daß das Bild durch das erste Strahlenbündel (A) auf die das Hologramm aufzeichnen- ' de Vorrichtung (22) übertragen wird und weitere optische Übertragungsmittel (14) das zweite Strahlenbündel (B) auf " die das Hologrammbild aufzeichnende Vorrichtung (22) richten und dort eine Interferenz mit dem ersten Strahlenbündel (A) bewirken, wobei der Winkel zwischen dem ersten Strahlenbündel (A) und dem zweiten Strahlenbündel (B) an der die Aufzeichnung*bewirkenden Vorrichtung (22) eine Größe (ö) aufweist,die die halbe Querdimension einer der Bildebenen überdeckt.

.-.S.' Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η_·, a e i cn ri e t , daß zur Auf spalt ung des Strahlenganges .eine Brlsmenrorrlchtung (12) vorgesehen ist.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch

g e k e η η ζ eich net , daß eine Kondensorlinse (18) das erste Strahlenbündel (A) sammelt und auf eine nicht in der Objektebene (19) liegende. Stelle fokussiert.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g ~e k e η η zeichnet, daß zur Fokussierung ein Objektiv (20) vorgesehen ist.

5V Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η ή ζ ei c h η e t .."-/-- daß eine Phasenplatte (39) in einer Ebene an der konjugierten Stelle der Lichtquelle angeordnet ist und das Mikroskop als Phasen mikroskop arbeitet.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» d a durch ge ken η ζ öl c h η e t _f daß das Mikroskop als Interferenzmikroskop arbeitet.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche IMs 6, d a -

d u r eh g e k en η ze ic h η e t , daß die beiden S'trahlenbündel· (A, B) auf gegenüberliegende Seiten der Hologrammaufzeichnungsvorrichtung (22) gerichtet sind«

8. Anordnungnach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a -

d u r ch g e k e η η ze ic h η et, daß das eine

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Strahlenbündel (B) mit Hilfe eines Prismas (50) auf die Hologrammvorrichtung gerichtet wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ,' -daß zur .Veränderung des Winkels zwischen dem ersten Strahlenbündel (A) und dem zweiten Strahlenbündel (B) an der Aufzeichnungsvorrichtung ein Keilprisma (50) vorgesehen ist.

10. Anordnung nach einem der. Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e η η ζ e i eh η et , . daß zur fokussierung eine Fresnel-Zonenplatte vorgesehen ist.

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